0 引言
现代高层建筑起源于美国，已有 100多年的历史，美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位，其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦 (高 381ｍ，102层 )、1972年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼 ( 417ｍ和 415ｍ，110层 )和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦 ( 412ｍ，110层 )。近几年来，亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速，而且广泛采用新的结构体系和建筑形式，逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中，日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。我国高层建筑起源于 20世纪初的上海，近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开，高度及层数不断突破。据统计，我国高层建筑在数量上已超过万栋，高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止，层数达 30层～ 60层，高度为 120ｍ～ 200ｍ的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市，我国最高的 101层 49 2ｍ的上海环球金融中心已经建成。
1 高层建筑结构的设计特点
高层建筑与普通建筑或低层建筑相比有很大差别，不仅仅表现在体量上的差别，它们之间最主要的差别在于以下方面对于低层：建筑来说，它们所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载。因此，设计低层建筑结构时，最主要的控制目标是结构的强度。另外，由于低层建筑对其结构体系的空间工作性能要求很低，所以低层建筑所采用的结构体系主要是平面结构。然而，在高层建筑中，结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。
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高层建筑的结构体系
1)框架结构体系。从结构体系上看，早期多采用框架结构。
由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，因此成为高层建筑的主要结构形式。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数。
2)剪力墙结构体系。为了满足更高层数的要求，结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求，出现了较高层数的剪力墙结构。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，因此，它允许建造的高度远远高于框架结构。
剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。因此，它的适用范围较小，仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。
3)框架—剪力墙结构体系。建筑功能要求有较大的灵活性，但同时又能满足风和地震作用的考验，取框架和剪力墙结构两者之长，形成框架—剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点，而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力，结合后的结构体系可满足一般建筑功能要求，在适当位置设置一定数量的剪力墙，既是建筑布置需要，又是结构抗侧力需要。因此，框架—剪力墙结构体系的适用范围和适应的高度较宽，是一种较好的结构体系，已广泛应用。
4)筒体结构。筒体结构是近年来发展起来的新体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单筒体、筒体—框架、筒中筒、多束筒等多种形式。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能，在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势，为众多高层和超高层建筑结构所采用。
3 高层建筑结构的分析方法
1基于常微分方程求解器的分析方法。
1） 对高层建筑结构分析 ,现在国内外学者已经开发研制了相当有效的常微分方程求解器 (ｏｒｄｉｎａｒｙｄｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｌｖｅｒ)，功能很强，尤其自适应求解，可以满足用户预先对解答精度所指定的误差限。我国清华大学包世华教授和袁驷教授在高层建筑结构分析中应用此方法，解决了高层建筑结构考虑楼板变形时静力计算、动力计算和稳定计算。这些问题若完全用离散化方法求解，其计算量都极其巨大，用微分方程求解器法求解，因其方程组数目少，显示出极大的优越性，在高层建筑结构分析中成功地运用此方法，具有独到之处。
4、框架－剪力墙结构中，框架剪力的调整
在三维空间程序 TBSA 计算中采用了楼板平面内刚度无限大的假定，即认为楼板在自身平面内是不变形的。但是在框架-剪力墙结构中。作为主要侧向支承的剪力墙间距很大，实际上楼板是会变形的，变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移，相应地，框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。更为重要的是，剪力墙的刚度大，承受了大部分的水平力。因而在地震作用下，剪力墙会首先开裂，刚度降低，从而使一部分地震力向框架转移，框架受到的地震作用会显著增加。另外，由内力分析可知，框架剪力墙结构中的框架，受力情况不同于纯框架结构中的框架，它下部楼层的计算剪力很小，到底部接近于零。显然直接按照计算的剪力进行配筋是不安全的，必须予以适当的调整，使框架具有足够的抗震能力，使框架成为框架剪力墙结构的第二道防线。具体设计时对于底层大底盘结构应对裙房部分和上部主体部分分别进行调整；还有结构沿竖向变化很大，平面不规则的结构在调整时应加以分析，例如笔者在作西宁水井巷办公楼项目设计时，该工程地下 2 层，地上 25 层。第 25层为水箱间，该层为斜塔式，垂直高度为 11 米左右，地面以上至水箱间楼板的高度为 96m。西宁设防烈度为 7 度，框架和剪力墙的抗震等级均为 2 级，21 ～ 22 层山墙两端跨各缩进3.90m，23 层平面又有缩进，而且该工程高宽比超限，为此，剪力墙布置的比较多，建筑面积不大，相对来说柱子显得不多，到了 21 层平面虽缩进的不多，但柱子减少很多，如果整个一次调整，21 层以上配筋超限很多，显然不合理，因此采用分别调整。
5、施工模拟问题
高层建筑的竖向荷载绝大部分是结构自重，而结构的自重是在施工过程中分层施加的，因而柱和剪力墙已在施工过程中逐渐完成了轴向变形，这就有了模拟施工的计算方法；但是，建筑物开始使用后，竖向荷载全部加上长期作用。由于柱子轴压比大，徐变变形明显大于剪力墙，所以内力又重新调整，情况又趋向一次加载的计算结果。所以在设计时仅对顶部楼层配筋异常的梁用两种计算结果进行了调整，加大与柱相连梁端负钢筋，减小与剪力墙相连一侧负钢筋。
结语：近年来，由于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地的紧张，高层建筑的层数在不断增多。另一方面，层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦。
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文章名称：
基于高层建筑结构设计分析研究
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